FR3067167B1 - SPECTRAL CONVERSION ELEMENT FOR ELECTROMAGNETIC RADIATION - Google Patents
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Abstract
Un élément (10) de conversion spectrale pour rayonnement électromagnétique comporte des antennes Térahertz (2) et des antennes infrarouges (2) qui sont réparties dans des zones de pixels (ZP). Les antennes Térahertz et les antennes infrarouges qui sont dans une même zone de pixel sont couplées thermiquement, et celles qui sont dans des zones de pixels différentes sont découplées. Un tel élément permet de saisir des images qui sont formées avec du rayonnement Térahertz, en utilisant un détecteur d'image (20) infrarouge.A spectral conversion element (10) for electromagnetic radiation includes terahertz antennas (2) and infrared antennas (2) which are distributed in pixel areas (ZP). Terahertz antennas and infrared antennas that are in the same pixel area are thermally coupled, and those in different pixel areas are decoupled. Such an element captures images that are formed with terahertz radiation using an infrared image sensor (20).
Description
ELEMENT DE CONVERSION SPECTRALE POUR RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUESPECTRAL CONVERSION ELEMENT FOR ELECTROMAGNETIC RADIATION
La présente invention concerne un élément de conversion spectrale pour rayonnement électromagnétique, et un procédé de collecte d’un rayonnement Térahertz.The present invention relates to a spectral conversion element for electromagnetic radiation, and a method for collecting terahertz radiation.
Dans le cadre de la présente description, on appelle rayonnement Térahertz un rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde est comprise entre 30 pm (micromètre) et 3 mm (millimètre), correspondant à une fréquence qui est comprise entre 0,1 THz (Térahertz), soit 100 MHz (Mégahertz), et 10 THz.In the context of the present description, radiation is called terahertz electromagnetic radiation whose wavelength is between 30 pm (micrometer) and 3 mm (millimeter), corresponding to a frequency that is between 0.1 THz (terahertz ), or 100 MHz (Megahertz), and 10 THz.
On appelle rayonnement infrarouge un rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde est comprise entre 1 pm et 30 pm, correspondant à une fréquence qui est comprise entre 10 THz et 300 THz. L’imagerie infrarouge, basée sur la détection d’images qui sont formées à partir de rayonnement infrarouge, dites images infrarouges, est très utilisée pour de nombreuses applications. De ce fait, des caméras infrarouges sont disponibles aujourd’hui à coût réduit, notamment des caméras qui fonctionnent dans les domaines spectraux de longueur d’onde compris entre 3 pm et 5 pm, ou compris entre 8 pm et 12 pm.IR radiation is called electromagnetic radiation whose wavelength is between 1 μm and 30 μm, corresponding to a frequency which is between 10 THz and 300 THz. Infrared imaging, based on the detection of images that are formed from infrared radiation, called infrared images, is widely used for many applications. As a result, infrared cameras are now available at reduced cost, including cameras that operate in spectral ranges of wavelengths between 3 pm and 5 pm, or between 8 pm and 12 pm.
De nombreuses applications ont par ailleurs été identifiées pour des systèmes d’imagerie efficaces pour saisir des images qui sont formées par du rayonnement Térahertz, c’est-à-dire dont l’information d’image correspond à des sources, des réflecteurs ou des diffuseurs de rayonnement Térahertz présents dans un champ d’observation. Toutefois, le développement de capteurs d’images qui soient sensibles à du rayonnement Térahertz nécessite des investissements importants, si bien que de tels capteurs ne sont pas disponibles à ce jour à des prix qui seraient compatibles avec les applications envisagées. A partir de cette situation, un but de la présente invention consiste à fournir des images qui révèlent des sources, réflecteurs ou diffuseurs de rayonnement Térahertz présents dans un champ d’observation, à un coût qui est faible, c’est-à-dire de l’ordre de ou peu supérieur à celui d’un système d’acquisition d’images infrarouges.Numerous applications have also been identified for efficient imaging systems for capturing images that are formed by terahertz radiation, that is to say whose image information corresponds to sources, reflectors or images. Terahertz radiation diffusers present in a field of observation. However, the development of image sensors that are sensitive to terahertz radiation requires significant investments, so that such sensors are not available at this time at prices that would be compatible with the applications envisaged. From this situation, an object of the present invention is to provide images that reveal terahertz radiation sources, reflectors or diffusers present in a field of view, at a cost that is low, i.e. of the order of or little higher than that of an infrared image acquisition system.
Un but annexe de l’invention est de fournir de telles images qui appartiennent au domaine spectral du rayonnement Térahertz, avec des systèmes d’imagerie qui soient simples et faciles d’utilisation.An ancillary object of the invention is to provide such images that belong to the spectral range of terahertz radiation, with imaging systems that are simple and easy to use.
Un autre but de l’invention est de fournir des images qui appartiennent au domaine spectral du rayonnement Térahertz, avec des résolutions spatiales qui soient fines.Another object of the invention is to provide images that belong to the spectral range of terahertz radiation, with spatial resolutions that are fine.
Encore un autre but de l’invention est de fournir des images qui appartiennent au domaine spectral du rayonnement Térahertz, mais qui sont restreintes à l’intérieur de fenêtres spectrales prédéterminées et facilement variables. Un but complémentaire peut alors être de fournir facilement des images multispectrales dont certaines au moins des composantes appartiennent au domaine spectral du rayonnement Térahertz.Yet another object of the invention is to provide images which belong to the spectral domain of the terahertz radiation, but which are restricted within predetermined and easily variable spectral windows. A complementary aim may then be to easily provide multispectral images at least some of whose components belong to the spectral range of the terahertz radiation.
Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou d’autres, un premier aspect de l’invention propose un élément de conversion spectrale pour rayonnement électromagnétique, qui comprend : - un support bidimensionnel, avec des zones juxtaposées qui sont dédiées respectivement à des pixels ; - un ensemble de premières antennes, dites antennes Térahertz, qui sont portées fixement par le support bidimensionnel et dimensionnées pour présenter un premier pic d’absorption du rayonnement électromagnétique lorsqu’une longueur d’onde du rayonnement est comprise entre 30 pm et 3 mm, au moins une des antennes Térahertz étant située à l’intérieur de chaque zone de pixel ; et - un ensemble de secondes antennes, dites antennes infrarouges, qui sont aussi portées fixement par le support bidimensionnel mais dimensionnées pour présenter un second pic d’absorption du rayonnement électromagnétique lorsque la longueur d’onde du rayonnement est comprise entre 1 pm et 30 pm, au moins une des antennes infrarouges étant située à l’intérieur de chaque zone de pixel.To achieve at least one of these or other objects, a first aspect of the invention provides a spectral conversion element for electromagnetic radiation, which comprises: a two-dimensional support, with juxtaposed zones which are respectively dedicated to pixels; a set of first antennas, called terahertz antennas, which are fixedly supported by the two-dimensional support and dimensioned to present a first absorption peak of the electromagnetic radiation when a wavelength of the radiation is between 30 μm and 3 mm, at least one of the terahertz antennas being located within each pixel zone; and a set of second antennas, called infrared antennas, which are also fixedly supported by the two-dimensional support but dimensioned to present a second absorption peak of the electromagnetic radiation when the wavelength of the radiation is between 1 μm and 30 μm at least one of the infrared antennas being located within each pixel area.
Autrement dit, chaque antenne Térahertz est absorbante pour du rayonnement Térahertz, possiblement à l’intérieur d’une partie restreinte de l’ensemble du domaine spectral Térahertz, et aussi possiblement avec une sélectivité par rapport à la polarisation de ce rayonnement.In other words, each terahertz antenna is absorbent for terahertz radiation, possibly inside a restricted part of the whole terahertz spectral domain, and also possibly with a selectivity with respect to the polarization of this radiation.
Simultanément, chaque antenne infrarouge est absorbante pour du rayonnement infrarouge. D’après la loi de Kirchhoff supposée bien connue, chaque antenne infrarouge est aussi efficace pour émettre du rayonnement infrarouge dans une fenêtre spectrale qui est superposée au second pic d’absorption du rayonnement électromagnétique.At the same time, each infrared antenna is absorbent for infrared radiation. According to the well-known Kirchhoff law, each infrared antenna is also effective for emitting infrared radiation into a spectral window that is superimposed on the second absorption peak of the electromagnetic radiation.
Selon une caractéristique de l’invention, l’élément de conversion est agencé de sorte qu’une des antennes Térahertz et une des antennes infrarouges qui sont situées toutes deux dans une même zone de pixel, quelle que soit cette zone de pixel, soient couplées thermiquement l’une à l’autre avec une résistance thermique qui est inférieure à chaque autre résistance thermique qui existe entre l’une quelconque des antennes Térahertz et l’une quelconque des antennes infrarouges lorsque ces antennes Térahertz et infrarouge sont situées dans des zones de pixels respectives qui sont différentes. Autrement dit, chaque zone de pixel réalise un couplage thermique entre les antennes Térahertz et infrarouge de cette zone, mais avec une interférence entre zones de pixels différentes, couramment désignée par «crosstalk» en anglais, qui est réduite. L’élément de conversion de l’invention réalise donc une conversion d’énergie à l’intérieur de chaque zone de pixel, entre le rayonnement Térahertz qui est incident sur chaque première antenne de cette zone de pixel et du rayonnement infrarouge qui est émis par chaque seconde antenne de cette même zone de pixel. En outre, les premières antennes déterminent la fenêtre spectrale de sensibilité de l’élément de conversion pour le rayonnement Térahertz incident, et les secondes antennes déterminent la fenêtre spectrale d’émission du rayonnement infrarouge. L’énergie du rayonnement Térahertz dans la fenêtre spectrale des premières antennes est ainsi convertie en énergie de rayonnement infrarouge dans la fenêtre spectrale des secondes antennes. La conversion est réalisée à l’intérieur de zones de pixels qui sont découplées les unes des autres, pour constituer une matrice qui permet de conserver une indication de la zone spatiale dans laquelle le rayonnement Térahertz est ou a été incident.According to one characteristic of the invention, the conversion element is arranged so that one of the terahertz antennas and one of the infrared antennas which are both located in the same pixel zone, whatever this pixel zone, are coupled thermally to each other with a thermal resistance which is lower than each other thermal resistance which exists between any of the terahertz antennas and any of the infrared antennas when these terahertz and infrared antennas are located in zones of respective pixels that are different. In other words, each pixel zone performs a thermal coupling between the terahertz and infrared antennas of this zone, but with interference between zones of different pixels, commonly referred to as "crosstalk" in English, which is reduced. The conversion element of the invention thus realizes a conversion of energy inside each pixel zone, between the terahertz radiation which is incident on each first antenna of this pixel zone and the infrared radiation which is emitted by every second antenna of this same pixel area. In addition, the first antennas determine the spectral window of sensitivity of the conversion element for the incident terahertz radiation, and the second antennas determine the spectral window of emission of the infrared radiation. The energy of the terahertz radiation in the spectral window of the first antennas is thus converted into infrared radiation energy in the spectral window of the second antennas. The conversion is carried out inside zones of pixels which are decoupled from each other, to form a matrix which makes it possible to preserve an indication of the spatial zone in which the terahertz radiation is or has been incidental.
Lorsqu’il est disposé dans un plan objet d’un instrument de saisie d’image infrarouge, l’élément de conversion de l’invention permet à l’instrument de saisir des images qui révèlent des sources, des réflecteurs ou des diffuseurs de rayonnement Térahertz présents dans un champ d’observation. Ainsi, de telles images Térahertz peuvent être saisies pour un coût qui est sensiblement similaire à la somme du coût de l’instrument de saisie d’image infrarouge et de l’élément de conversion proposé par l’invention. Or l’élément de conversion de l’invention, parce qu’il peut être fabriqué par des techniques de gravure et de dépôt de matériaux qui sont maîtrisées à ce jour, peut avoir un prix de revient qui est compatible avec les applications envisagées.When disposed in an object plane of an infrared image capturing instrument, the conversion element of the invention allows the instrument to capture images that reveal sources, reflectors, or radiation diffusers. Terahertz present in a field of observation. Thus, such terahertz images can be captured at a cost that is substantially similar to the sum of the cost of the infrared image pickup instrument and the conversion element provided by the invention. Now the conversion element of the invention, because it can be manufactured by techniques of etching and deposition of materials that are controlled to date, can have a cost that is compatible with the applications envisaged.
Préférablement, l’élément de conversion peut être agencé de sorte que chaque résistance thermique entre une antenne Térahertz et une antenne infrarouge qui sont situées toutes deux dans une même zone de pixel, quelle que soit cette zone de pixel, soit inférieure à un dixième, de préférence inférieure à un centième, de chaque autre résistance thermique qui existe entre l’une quelconque des antennes Térahertz et l’une quelconque des antennes infrarouges lorsque ces antennes Térahertz et infrarouge sont situées dans des zones de pixels respectives qui sont différentes. Ainsi, les interférences - ou «crosstalk» - entre zones de pixels différentes de l’élément de conversion sont suffisamment réduites pour qu’une image infrarouge qui soit nette résulte de la conversion d’énergie du rayonnement Térahertz reçu, en rayonnement infrarouge, séparément pixel par pixel.Preferably, the conversion element may be arranged so that each thermal resistance between a terahertz antenna and an infrared antenna which are both located in the same pixel area, whatever the pixel area, is less than one-tenth, preferably less than one hundredth, of each other thermal resistance that exists between any of the terahertz antennas and any of the infrared antennas when these terahertz and infrared antennas are located in areas of respective pixels that are different. Thus, the interference - or "crosstalk" - between pixel areas different from the conversion element is sufficiently reduced so that a sharp infrared image results from the energy conversion of the received terahertz radiation into infrared radiation separately. pixel by pixel.
Dans divers modes de réalisation de l’invention, chaque antenne Térahertz ou infrarouge peut être du type métal-diélectrique-métal, ou être du type résonateur de Helmholtz, ou encore être formée par une portion d’un matériau qui est absorbant pour le rayonnement Térahertz ou infrarouge, respectivement.In various embodiments of the invention, each terahertz or infrared antenna may be of the metal-dielectric-metal type, or be of the Helmholtz resonator type, or may be formed by a portion of a material that is absorbent for radiation. Terahertz or infrared, respectively.
De façon générale pour l’invention, les dimensions transversales suivantes, mesurées parallèlement au support bidimensionnel, sont avantageuses : - entre 30 pm et 5000 pm, c’est-à-dire 5 mm, pour chaque zone de pixel, - entre 1 pm et 300 pm pour chaque antenne Térahertz, et - entre 0,1 pm et 5 pm pour chaque antenne infrarouge.In general terms for the invention, the following transversal dimensions, measured parallel to the two-dimensional support, are advantageous: between 30 μm and 5000 μm, ie 5 mm, for each pixel zone, between 1 μm and 300 pm for each terahertz antenna, and - between 0.1 pm and 5 pm for each infrared antenna.
Pour produire un découplage encore plus efficace entre deux zones de pixels quelconques qui sont voisines, le support bidimensionnel peut présenter une portion de liaison pour relier deux zones de pixels voisines, et présenter des évidements qui limitent transversalement chaque portion de liaison. Ainsi, toutes les zones de pixels peuvent être solidaires dans le support bidimensionnel, alors que des passages de diffusion thermique entre deux zones de pixels qui sont voisines ont des sections qui sont restreintes par certains des évidements. L’élément de conversion de l’invention peut ainsi former une pièce unique qui est facile à manipuler et à incorporer dans un instrument d’imagerie.To produce even more efficient decoupling between any two pixel areas that are adjacent, the two-dimensional support may have a connecting portion for connecting two neighboring pixel areas, and have recesses that transversely limit each link portion. Thus, all pixel areas may be integral in the two-dimensional support, while thermal diffusion passages between two neighboring pixel areas have sections that are restricted by some of the recesses. The conversion element of the invention can thus form a single piece that is easy to manipulate and incorporate into an imaging instrument.
Possiblement, chaque antenne Térahertz peut posséder une géométrie qui est sélectionnée parmi plusieurs géométries distinctes correspondant à des polarisations différentes ou des longueurs d’onde différentes pour le rayonnement électromagnétique qui est absorbé avec une efficacité maximale. Dans ce cas, chaque zone de pixel peut comporter au moins une de ces géométries d’antennes Térahertz, de préférence une seule géométrie d’antenne par zone de pixel. Les géométries d’antennes Térahertz sont alors alternées entre des zones de pixels qui sont différentes, préférablement selon un motif d’alternance qui est identique dans tout l’élément de conversion. L’élément de conversion peut ainsi produire des images multispectrales et/ou des images qui correspondent à des polarisations différentes du rayonnement Térahertz qui est absorbé. De cette façon, une information plus complète peut être recueillie sur les sources, réflecteurs et diffuseurs de rayonnement Térahertz qui sont présents dans un champ d’observation. Lorsque chaque zone de pixel ne comporte qu’une seule géométrie d’antenne, les différentes composantes spectrales de chaque image multispectrale, ou les différentes composantes de polarisation de chaque image multi-polarisation, présentent une diaphonie, ou «crosstalk» en anglais, qui est très réduite ou nulle. Toutefois, une résolution qui est plus fine peut être obtenue pour l’image multispectrale ou multi-polarisation lorsque des antennes de géométries différentes sont contenues dans chaque zone de pixel.Possibly, each terahertz antenna may have a geometry that is selected from several different geometries corresponding to different polarizations or different wavelengths for the electromagnetic radiation that is absorbed with maximum efficiency. In this case, each pixel zone may comprise at least one of these terahertz antenna geometries, preferably only one antenna geometry per pixel zone. The terahertz antenna geometries are then alternated between areas of pixels that are different, preferably in a pattern of alternation that is identical throughout the conversion element. The conversion element can thus produce multispectral images and / or images that correspond to different polarizations of the terahertz radiation that is absorbed. In this way, more complete information can be collected on terahertz sources, reflectors and radiation diffusers that are present in a field of view. When each pixel zone has only one antenna geometry, the different spectral components of each multispectral image, or the different polarization components of each multi-polarization image, have a crosstalk, or "crosstalk" in English, which is very small or nil. However, a finer resolution can be achieved for the multispectral or multi-polarization image when antennas of different geometries are contained in each pixel area.
Selon des premières configurations, dites en transmission, qui sont possibles pour des éléments de conversion conformes à l’invention, les antennes Térahertz d’une part, et les antennes infrarouges d’autre part, peuvent être portées par deux faces opposées du support bidimensionnel. Les résistances thermiques sont alors produites le long de chemins de diffusion thermique qui traversent le support bidimensionnel entre les deux faces opposées.According to first configurations, referred to as transmission, which are possible for conversion elements according to the invention, terahertz antennas on the one hand, and infrared antennas on the other hand, can be carried by two opposite faces of the two-dimensional support. . The thermal resistors are then produced along thermal diffusion paths that pass through the two-dimensional support between the two opposite faces.
Selon des secondes configurations, dites en réflexion, qui sont aussi possibles pour des éléments de conversion conformes à l’invention, les antennes Térahertz et les antennes infrarouges peuvent être portées ensemble par une même face du support bidimensionnel. Par exemple, les antennes Térahertz peuvent être réparties dans une première partie d’une structure en couches qui est portée par la face du support bidimensionnel, et les antennes infrarouges peuvent être réparties dans une seconde partie de la même structure en couches qui est située au-dessus ou au-dessous de la première partie, par rapport à un ordre d’empilement des couches sur la face du support bidimensionnel.According to second configurations, referred to in reflection, which are also possible for conversion elements according to the invention, the terahertz antennas and the infrared antennas can be carried together by the same face of the two-dimensional support. For example, terahertz antennas may be distributed in a first part of a layered structure which is carried by the face of the two-dimensional support, and the infrared antennas may be distributed in a second part of the same layered structure which is located at above or below the first part, with respect to a stacking order of the layers on the face of the two-dimensional support.
Un second aspect de l’invention propose un procédé de collecte d’un rayonnement Térahertz, qui comprend les actions suivantes : - disposer un élément de conversion qui est conforme au premier aspect de l’invention, dans du rayonnement Térahertz de sorte que l’élément de conversion produise un rayonnement infrarouge à partir d’une énergie du rayonnement Térahertz ; et - disposer un capteur du rayonnement infrarouge sur un trajet du rayonnement infrarouge qui est produit par l’élément de conversion.A second aspect of the invention provides a method of collecting terahertz radiation, which comprises the following actions: - arranging a conversion element which is in accordance with the first aspect of the invention, in terahertz radiation so that the conversion element produces infrared radiation from a terahertz radiation energy; and - placing a sensor of infrared radiation on a path of the infrared radiation that is produced by the conversion element.
Pour des applications diverses qui n’appartiennent pas au domaine de l’imagerie, le capteur du rayonnement infrarouge peut comprendre au moins une cellule photovoltaïque, une cellule photoconductrice, ou une cellule bolométrique, qui est efficace pour absorber une partie au moins du rayonnement infrarouge produit par l’élément de conversion.For various applications that do not belong to the field of imaging, the infrared radiation sensor may comprise at least one photovoltaic cell, a photoconductive cell, or a bolometric cell, which is effective for absorbing at least a portion of the infrared radiation produced by the conversion element.
Pour des applications d’imagerie, le capteur du rayonnement infrarouge peut comprendre au moins un détecteur d’image qui est sensible au rayonnement infrarouge. Le procédé comprend alors en outre les actions de : - disposer un objectif qui est efficace pour le rayonnement Térahertz sur un trajet de ce rayonnement Térahertz en amont de l’élément de conversion ; et - disposer aussi un système imageur qui est efficace pour le rayonnement infrarouge sur un trajet du rayonnement infrarouge entre l’élément de conversion et le détecteur d’image. L’objectif forme ainsi une image d’une scène sur l’élément de conversion avec le rayonnement Térahertz qui provient de la scène, et le système imageur forme une image de l’élément de conversion sur le détecteur d’image avec le rayonnement infrarouge qui est produit par l’élément de conversion. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe transversale d’un élément de conversion conforme à l’invention ; - les figures 2a et 2b représentent l’élément de conversion de la figure 1, vu en plan par dessus et par dessous ; - la figure 3 est un diagramme spectral d’absorption de rayonnement électromagnétique, relatif à des antennes d’un élément de conversion conforme à l’invention ; - les figures 4a à 4c illustrent trois modes de réalisation possibles pour des antennes d’éléments de conversion conformes à l’invention ; et - la figure 5 correspond à la figure 1 pour une configuration différente d’un élément de conversion aussi conforme à l’invention.For imaging applications, the infrared radiation sensor may include at least one image sensor that is sensitive to infrared radiation. The method then further comprises the actions of: - arranging an objective that is effective for terahertz radiation in a path of this terahertz radiation upstream of the conversion element; and - also having an imaging system that is effective for infrared radiation in a path of infrared radiation between the conversion element and the image detector. The lens thus forms an image of a scene on the conversion element with Terahertz radiation that comes from the scene, and the imaging system forms an image of the conversion element on the image detector with infrared radiation. which is produced by the conversion element. Other features and advantages of the present invention will appear in the following description of nonlimiting exemplary embodiments, with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a cross-sectional view of a conversion element; according to the invention; - Figures 2a and 2b show the conversion element of Figure 1, seen in plan from above and from below; FIG. 3 is a spectral diagram of absorption of electromagnetic radiation, relating to antennas of a conversion element according to the invention; FIGS. 4a to 4c illustrate three possible embodiments for antennas of conversion elements in accordance with the invention; and - Figure 5 corresponds to Figure 1 for a different configuration of a conversion element also according to the invention.
Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles ni à des rapports de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques.For the sake of clarity, the dimensions of the elements which are represented in these figures do not correspond to real dimensions nor to actual dimension ratios. In addition, identical references which are indicated in different figures designate identical elements or which have identical functions.
Conformément aux figures 1, 2a et 2b, un support bidimensionnel 1 qui peut être de la forme d’un film à simple couche ou multicouche, possède deux faces opposées notées Si et S2 respectivement. La face Si porte des antennes 2, et la face S2 porte des antennes 3. Les antennes 2 et 3 possèdent des intervalles spectraux d’absorption de rayonnement électromagnétique qui sont séparés, comme représenté dans le diagramme de la figure 3 : les antennes 2 sont absorbantes pour des valeurs de longueur d’onde du rayonnement électromagnétique qui appartiennent au domaine 30 pm - 3 mm, correspondant à du rayonnement Térahertz, et les antennes 3 sont absorbantes pour des valeurs de longueur d’onde du rayonnement électromagnétique qui appartiennent au domaine 1 pm - 30 pm, correspondant à du rayonnement infrarouge. Dans la figure 3, λ désigne la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique, exprimée en micromètres, et A(À) désigne l’absorption spectrale de ce rayonnement. IR désigne le domaine spectral du rayonnement infrarouge, et TH désigne le domaine spectral du rayonnement Térahertz. Possiblement, chaque antenne 2, dite antenne Térahertz, peut être absorbante sélectivement à l’intérieur d’un pic noté P-ι, qui correspond à une bande réduite, ou très réduite à l’intérieur de l’intervalle spectral du rayonnement Térahertz. De même, chaque antenne 3, dite antenne infrarouge, peut être absorbante sélectivement à l’intérieur d’un pic noté P2, qui correspond à une bande réduite à l’intérieur de l’intervalle spectral du rayonnement infrarouge.According to FIGS. 1, 2a and 2b, a two-dimensional support 1 which may be in the form of a single-layer or multilayer film, has two opposite faces denoted Si and S2 respectively. The face Si carries antennas 2, and the face S2 carries antennas 3. The antennas 2 and 3 have spectral intervals of absorption of electromagnetic radiation which are separated, as represented in the diagram of FIG. 3: the antennas 2 are absorbent for wavelength values of the electromagnetic radiation which belong to the range 30 pm - 3 mm, corresponding to terahertz radiation, and the antennas 3 are absorbent for wavelength values of the electromagnetic radiation which belong to the domain 1 pm - 30 pm, corresponding to infrared radiation. In FIG. 3, λ denotes the wavelength of the electromagnetic radiation, expressed in micrometers, and A (A) denotes the spectral absorption of this radiation. IR denotes the spectral range of the infrared radiation, and TH denotes the spectral range of the terahertz radiation. Possibly, each antenna 2, called terahertz antenna, can be selectively absorbing inside a peak noted P-ι, which corresponds to a reduced band, or very reduced within the spectral range of terahertz radiation. Similarly, each antenna 3, referred to as an infrared antenna, can be selectively absorbent inside a peak noted P2, which corresponds to a reduced band within the spectral range of the infrared radiation.
De façon générale, l’absorption de rayonnement électromagnétique par une structure matérielle dépend des matériaux de cette structure, et éventuellement en outre de ses dimensions géométriques. Ainsi, chaque antenne Térahertz 2 possède une structure qui est conçue pour présenter une absorption importante dans le domaine spectral du rayonnement Térahertz (pic P! du diagramme de la figure 3).In general, the absorption of electromagnetic radiation by a material structure depends on the materials of this structure, and possibly also on its geometric dimensions. Thus, each terahertz antenna 2 has a structure which is designed to have a significant absorption in the spectral range of the terahertz radiation (peak P1 of the diagram of FIG. 3).
Selon un premier mode de réalisation possible qui est illustré par la figure 4a, chaque antenne 2 peut être constituée d’une portion 2i de matériau isolant électriquement, qui est intercalée entre deux portions de couches conductrices électriquement, de préférence entre deux portions de couches métalliques. L’une de ces portions est désignée par la référence 2m, et l’autre peut être formée par une partie de la face du support 1. Une telle structure d’antenne est connue sous la désignation métal-isolant-métal, et est grandement documentée dans la littérature disponible. Elle forme un résonateur de Fabry-Pérot, pour lequel la position en longueur d’onde du pic d’absorption Pi dépend des dimensions de la portion 2m mesurées parallèlement à la face du support 1. Par exemple, une longueur I de la portion métallique 2m, appelée longueur de cavité et mesurée parallèlement au support 1, correspond à une longueur d’onde d’absorption maximale d’environ quatre fois cette longueur de cavité I, lorsque la portion de matériau isolant 2i est en polyimide, polyméthylméthacrylate (PMMA), polyéthylène (PET), ou en résine photosensible négative à base d’époxy, telle que connue sous l’acronyme SU-8. La portion de couche métallique 2m peut être en or, cuivre ou aluminium, par exemple.According to a first possible embodiment which is illustrated in FIG. 4a, each antenna 2 may consist of a portion 2i of electrically insulating material, which is interposed between two portions of electrically conductive layers, preferably between two portions of metal layers. . One of these portions is designated by the reference 2m, and the other may be formed by a portion of the face of the support 1. Such an antenna structure is known as metal-insulator-metal, and is greatly documented in the available literature. It forms a Fabry-Perot resonator, for which the wavelength position of the absorption peak Pi depends on the dimensions of the portion 2m measured parallel to the face of the support 1. For example, a length I of the metal portion 2m, called the cavity length and measured parallel to the support 1, corresponds to a maximum absorption wavelength of about four times this cavity length I, when the portion of insulating material 2i is made of polyimide, polymethylmethacrylate (PMMA) , polyethylene (PET), or epoxy-based negative photoresist as known by the acronym SU-8. The portion of metal layer 2m can be gold, copper or aluminum, for example.
Lorsque les longueurs de diffusion thermique qui existent parallèlement au support 1, entre des antennes 2 qui sont voisines, sont très supérieures aux longueurs de diffusion thermique qui existent perpendiculairement au support 1, entre des antennes 2 et 3 qui sont couplées à l’intérieur d’une même zone de pixel, le matériau isolant 2i peut être continu entre des antennes 2 qui sont voisines. II peut ainsi former une couche qui est continue, et qui peut servir de support mécanique pour l’élément de conversion spectrale.When the thermal diffusion lengths that exist parallel to the support 1, between adjacent antennas 2 are much greater than the thermal diffusion lengths that exist perpendicularly to the support 1, between antennas 2 and 3 which are coupled inside the antenna. the same pixel area, the insulating material 2i can be continuous between antennas 2 which are adjacent. It can thus form a layer which is continuous and which can serve as a mechanical support for the spectral conversion element.
Selon un deuxième mode de réalisation possible qui est illustré par la figure 4b, chaque antenne 2 peut être constituée d’une portion d’un matériau qui présente une absorption importante du rayonnement électromagnétique, lorsque ce rayonnement possède une longueur d’onde qui est comprise entre 30 pm et 3 mm. Par exemple, une couche d’un polymère dopé, tel que du PMMA dopé ou du PET dopé, d’épaisseur e = 5 pm environ lorsqu’elle est mesurée perpendiculairement au support 1, et qui est déposée sur un film métallique qui constitue ce support 1, peut constituer une antenne 2 pour laquelle l’absorption se produit de façon à peu près homogène sur toute la bande de rayonnement Térahertz. Comme précédemment, lorsque les longueurs de diffusion thermique qui existent entre des antennes 2 qui sont voisines sont très supérieures aux longueurs de diffusion thermique qui existent entre des antennes 2 et 3 qui sont couplées à l’intérieur d’une même zone de pixel, la couche de polymère dopé qui constitue les portions absorbantes du rayonnement Térahertz peut être continue entre des antennes 2 voisines. Elle peut alors aussi remplir la fonction de support mécanique pour l’élément de conversion spectrale.According to a second possible embodiment which is illustrated in FIG. 4b, each antenna 2 may consist of a portion of a material which has a high absorption of electromagnetic radiation, when this radiation has a wavelength which is included between 30 pm and 3 mm. For example, a layer of a doped polymer, such as doped PMMA or doped PET, of thickness e = approximately 5 μm when measured perpendicular to the support 1, and which is deposited on a metal film which constitutes this support 1, can constitute an antenna 2 for which the absorption occurs approximately homogeneously over the entire terahertz radiation band. As previously, when the thermal diffusion lengths that exist between antennas 2 which are close to one another are much greater than the thermal diffusion lengths that exist between antennas 2 and 3 which are coupled within the same pixel zone, the doped polymer layer which constitutes the absorbent portions of the terahertz radiation may be continuous between adjacent antennas 2. It can then also fulfill the function of mechanical support for the spectral conversion element.
Selon un troisième mode de réalisation possible qui est illustré par la figure 4c, chaque antenne 2 peut être constituée par un résonateur de Helmholtz. Un tel résonateur est constitué par une cavité à parois métalliques, qui est reliée à l’extérieur par un col. De façon avantageuse mais non-limitative pour ce mode de réalisation, le support 1 peut être en matériau métallique, et la cavité et le col sont formés dans le support 1 à partir de la face Si. La cavité et le col peuvent être très allongés perpendiculairement au plan de la figure 4c, et dans ce plan, la cavité possède une surface de section S, et le col possède une largeur w et une hauteur h. Par exemple, les valeurs suivantes : S = 6 pm2, w = 0,2 pm et h = 1 pm, produisent un pic d’absorption P! qui est centré approximativement sur la valeur de longueur d’onde 50 pm. Une bibliographie abondante est aussi disponible au sujet de tels résonateurs de Helmholtz.According to a third possible embodiment which is illustrated in FIG. 4c, each antenna 2 may be constituted by a Helmholtz resonator. Such a resonator is constituted by a cavity with metal walls, which is connected to the outside by a neck. Advantageously, but not limited to this embodiment, the support 1 may be made of metallic material, and the cavity and the neck are formed in the support 1 from the Si face. The cavity and the neck may be very elongated perpendicularly to the plane of Figure 4c, and in this plane, the cavity has a sectional surface S, and the neck has a width w and a height h. For example, the following values: S = 6 pm 2, w = 0.2 pm and h = 1 pm, produce an absorption peak P! which is centered approximately on the wavelength value 50 μm. An abundant bibliography is also available about such Helmholtz resonators.
Dans ces exemples numériques, l’autre dimension de l’antenne 2, qui est mesurée aussi parallèlement au support 1, est supposée très supérieure à la première dimension donnée précédemment. Toutefois, une telle géométrie quasi-unidimensionnelle pour chaque antenne n’est pas indispensable. Par exemple, pour le premier mode de réalisation de la figure 4a, à base d’une portion de matériau isolant électriquement qui est intercalée entre deux portions de couches conductrices électriquement, des géométries bidimensionnelles peuvent être utilisées comme représenté sur les figures 2a et 2b. En particulier, chaque antenne peut avoir une forme rectangulaire dans un plan de projection qui est parallèle au support 1.In these numerical examples, the other dimension of the antenna 2, which is also measured parallel to the support 1, is assumed to be much greater than the first dimension given above. However, such a quasi-one-dimensional geometry for each antenna is not essential. For example, for the first embodiment of Figure 4a, based on a portion of electrically insulating material which is interposed between two portions of electrically conductive layers, two-dimensional geometries can be used as shown in Figures 2a and 2b. In particular, each antenna may have a rectangular shape in a projection plane which is parallel to the support 1.
Pour un élément de conversion tel que représenté aux figures 1, 2a et 2b, chaque antenne Térahertz est portée par le support 1 de façon à être couplée thermiquement avec lui, de sorte que l’absorption de rayonnement Térahertz par cette antenne 2 produise de la chaleur qui est transférée au support 1. Par exemple, pour le premier mode de réalisation des antennes 2 (figure 4a), le support 1 peut former directement l’une des deux portions de couches conductrices électriquement. Pour le deuxième mode de réalisation (figure 4b), la portion du matériau qui est absorbant pour le rayonnement Térahertz peut être formée directement sur le support 1. Enfin, pour le troisième mode de réalisation (figure 4c), le support 1 peut être en matériau métallique, et être suffisamment épais pour que la cavité et le col puissent être formés dans le support 1 à partir de sa face Si.For a conversion element as represented in FIGS. 1, 2a and 2b, each terahertz antenna is carried by the support 1 so as to be coupled thermally with it, so that the absorption of terahertz radiation by this antenna 2 produces heat that is transferred to the support 1. For example, for the first embodiment of the antennas 2 (Figure 4a), the support 1 can directly form one of the two portions of electrically conductive layers. For the second embodiment (FIG. 4b), the portion of the material that is absorbent for the terahertz radiation can be formed directly on the support 1. Finally, for the third embodiment (FIG. 4c), the support 1 can be in metal material, and be sufficiently thick so that the cavity and the neck can be formed in the support 1 from its face Si.
Pour les trois modes de réalisation, le support 1 peut être un film d’or (Au), de cuivre (Cu) ou d’aluminium (Al), à titre d’exemples non-limitatifs.For the three embodiments, the support 1 may be a film of gold (Au), copper (Cu) or aluminum (Al), as non-limiting examples.
Chaque antenne infrarouge 3 a pour fonction d’émettre du rayonnement infrarouge dans la bande spectrale de longueur d’onde qui est comprise entre 1 pm et 30 pm, lorsqu’elle reçoit de la chaleur qui a été produite par l’absorption de rayonnement Térahertz par l’une des antennes 2. Chaque antenne 3 est constituée d’au moins une autre portion d’un matériau approprié, qui émet du rayonnement infrarouge en fonction de la température de cette portion. Lorsque cette température augmente, du fait de la chaleur reçue par diffusion thermique en provenance de l’une des antennes Térahertz 2, la quantité du rayonnement infrarouge émis augmente aussi, mais tout en restant limitée par la valeur d’émissivité du matériau de cette antenne 3. Toutefois, la structure d’antenne qui présente le pic d’absorption P2 assure que cette émissivité est importante. Dit autrement, une structure d’antenne qui présente un pic d’absorption du rayonnement électromagnétique est aussi efficace pour émettre du rayonnement électromagnétique à la longueur d’onde de ce pic d’absorption, lorsqu’elle est chauffée.Each infrared antenna 3 has the function of emitting infrared radiation in the spectral band of wavelength which is between 1 μm and 30 μm, when it receives heat which has been produced by the absorption of terahertz radiation. by one of the antennas 2. Each antenna 3 consists of at least one other portion of a suitable material, which emits infrared radiation as a function of the temperature of this portion. When this temperature increases, because of the heat received by thermal diffusion from one of the terahertz antennas 2, the amount of the infrared radiation emitted also increases, but while remaining limited by the emissivity value of the material of this antenna 3. However, the antenna structure which has the absorption peak P2 ensures that this emissivity is important. In other words, an antenna structure that has an absorption peak of the electromagnetic radiation is also effective for emitting electromagnetic radiation at the wavelength of this absorption peak, when heated.
Les trois modes de réalisation qui ont été décrits plus haut pour les antennes Térahertz 2 peuvent être repris dans leurs principes pour les antennes infrarouges 3, en adaptant toutefois les matériaux utilisés et les dimensions géométriques pour un pic d’absorption P2 qui est situé dans l’intervalle de longueur d’onde compris entre 1 pm et 30 pm.The three embodiments which have been described above for terahertz antennas 2 may be used in their principles for infrared antennas 3, while nevertheless adapting the materials used and the geometrical dimensions for an absorption peak P2 which is located in the region of the earth. wavelength range of between 1 μm and 30 μm.
En particulier, pour le premier mode de réalisation, de type métal-isolant-métal, la portion matériau isolant, maintenant référencée 3i dans la figure 4a, peut être en sulfure de zinc (ZnS), mais aussi en silice (SiO2), en carbure de silicium (SiC), en silicium ou en germanium, alors que la portion de matériau conducteur électriquement 3m ainsi que la partie concernée du support 1 peuvent encore être or, cuivre ou aluminium. La formule numérique des résonateurs de Fabry-Pérot est encore applicable pour ce mode de réalisation des antennes 3, pour déterminer la longueur de cavité I en fonction de la longueur d’onde d’absorption maximale qui est désirée pour le pic P2. Par exemple, lorsque la portion de matériau 3i est en sulfure de zinc, la valeur de 2 pm pour la longueur de cavité I produit la valeur de 10 pm pour la longueur d’onde centrale du pic d’absorption P2.In particular, for the first embodiment, of metal-insulator-metal type, the insulating material portion, now referenced 3i in FIG. 4a, may be of zinc sulphide (ZnS), but also of silica (SiO 2), in particular silicon carbide (SiC), silicon or germanium, while the portion of electrically conductive material 3m and the relevant part of the support 1 can still be gold, copper or aluminum. The numerical formula of the Fabry-Perot resonators is still applicable for this embodiment of the antennas 3, to determine the cavity length I as a function of the maximum absorption wavelength that is desired for the peak P2. For example, when the material portion 3i is zinc sulfide, the value of 2 μm for the cavity length I produces the value 10 μm for the center wavelength of the absorption peak P2.
Pour le deuxième mode de réalisation (figure 4b), le matériau absorbant à utiliser pour chaque antenne infrarouge 3 peut être de la silice (SiO2). Lorsque l’épaisseur e de cette couche de silice est de 0,7 pm environ, et que cette couche est encore déposée sur un film métallique qui constitue le support 1, une émissivité moyenne qui est supérieure à 50% est obtenue dans l’intervalle de longueur d’onde compris entre 8 pm et 12 pm.For the second embodiment (FIG. 4b), the absorbent material to be used for each infrared antenna 3 may be silica (SiO 2). When the thickness e of this silica layer is approximately 0.7 μm, and this layer is still deposited on a metal film which constitutes the support 1, an average emissivity which is greater than 50% is obtained in the meantime. wavelength between 8 pm and 12 pm.
Enfin, pour le troisième mode de réalisation, à résonateur de Helmholtz, les valeurs 0,65 pm2 pour la section de cavité S, 0,2 pm pour la largeur de col w, et 0,5 pm pour la hauteur de col h, correspondent à une longueur d’onde centrale de 10 pm pour le pic d’absorption P2.Finally, for the third embodiment, with a Helmholtz resonator, the values 0.65 pm 2 for the cavity section S, 0.2 pm for the neck width w, and 0.5 pm for the neck height h, correspond to a central wavelength of 10 pm for the absorption peak P2.
Le support 1 et les antennes 2 et 3 qui sont portées par celui-ci forment un élément de conversion spectral conforme à l’invention, désigné globalement par la référence 10. Pour le fonctionnement de cet élément de conversion 10, chaque antenne Térahertz 2 doit être couplée thermiquement de façon efficace à au moins une antenne infrarouge 3 qui lui est associée. Toutefois, plusieurs antennes infrarouges 3 peuvent être associées à une même antenne Térahertz 2. Par antenne 2 qui est couplée thermiquement avec une antenne 3 de façon efficace, on entend que la résistance de diffusion thermique entre ces deux antennes est inférieure d’un facteur au moins 10 ou 100, à une résistance de diffusion thermique qui existe entre l’antenne 2 et une antenne 3 qui ne lui est pas associée. Un tel couplage thermique sélectif peut être obtenu par une répartition appropriée des antennes 2 et 3 parallèlement au support bidimensionnel 1 : des antennes 2 et 3 qui sont associées l’une avec l’autre peuvent être situées au droit l’une de l’autre selon la direction perpendiculaire à la face Si du support 1, ou peu éloignées l’une de l’autre parallèlement à la face Si, alors que des antennes 2 et 3 qui ne sont pas associées sont plus éloignées l’une de l’autre parallèlement à la face Si.The support 1 and the antennas 2 and 3 which are carried by it form a spectral conversion element according to the invention, designated generally by the reference 10. For the operation of this conversion element 10, each terahertz antenna 2 must be thermally coupled effectively to at least one infrared antenna 3 associated therewith. However, several infrared antennas 3 can be associated with one and the same terahertz antenna 2. By antenna 2 which is thermally coupled with an antenna 3 in an efficient manner, it is meant that the thermal diffusion resistance between these two antennas is lower by a factor of minus 10 or 100, to a thermal diffusion resistance which exists between the antenna 2 and an antenna 3 which is not associated with it. Such a selective thermal coupling can be obtained by appropriate distribution of the antennas 2 and 3 parallel to the two-dimensional support 1: antennas 2 and 3 which are associated with each other can be located at right angles to each other in the direction perpendicular to the face Si of the support 1, or not far from each other parallel to the face Si, while antennas 2 and 3 which are not associated are further apart from each other parallel to the Si face.
Selon une conception pratique de l’élément de conversion 10, des zones distinctes, dites zones de pixels, sont définies sur le support bidimensionnel 1, sur sa face Si, par exemple selon une répartition matricielle, en lignes et en colonnes perpendiculaires. Deux antennes 2 et 3 qui sont alors situées dans une même zone de pixel ZP sont couplées thermiquement entre elles au sens qui a été défini plus haut, alors que des antennes 2 et 3 qui sont situées dans des zones de pixels ZP différentes présentent entre elles un couplage thermique moins intense, c’est-à-dire une résistance de diffusion thermique inter-pixel qui est au moins 10 fois, sinon au moins 100 fois, supérieure à la résistance de diffusion thermique intra-pixel.According to a practical design of the conversion element 10, distinct zones, called pixel zones, are defined on the two-dimensional support 1, on its face Si, for example according to a matrix distribution, in rows and in perpendicular columns. Two antennas 2 and 3 which are then located in the same pixel zone ZP are thermally coupled to each other in the sense defined above, while antennas 2 and 3 which are located in zones of different pixels ZP present between them less intense thermal coupling, i.e., an inter-pixel thermal diffusion resistance which is at least 10 times, if not at least 100 times, greater than the intra-pixel thermal diffusion resistance.
Pour augmenter encore le rapport entre les valeurs de résistance de diffusion thermique inter-pixel et intra-pixel, il est possible pour le support 1 de présenter des découpes entre les zones de pixels ZP. De cette façon, une section de diffusion thermique est réduite entre des zones de pixels ZP qui sont voisines, augmentant ainsi la valeur de résistance de diffusion thermique interpixel. Dans les figures 2a et 2b, les références 5 indiquent des découpes, ou évidements, qui sont ménagées entre des zones de pixels ZP qui sont voisines. Les références 4 désignent des portions de liaison résiduelles du support 1, entre les découpes 5, qui assurent la cohésion mécanique de l’ensemble de l’élément de conversion 10.To further increase the ratio between the inter-pixel and intra-pixel thermal diffusion resistance values, it is possible for the support 1 to present gaps between the pixel areas ZP. In this way, a thermal diffusion section is reduced between neighboring pixel areas ZP, thereby increasing the interpixel thermal diffusion resistance value. In FIGS. 2a and 2b, the references 5 indicate cutouts, or recesses, which are formed between zones of pixels ZP which are adjacent. The references 4 designate residual connection portions of the support 1, between the cuts 5, which ensure the mechanical cohesion of the whole of the conversion element 10.
Pour le mode de réalisation de la figure 4c, dans lequel les antennes 2 et 3 sont toutes du type résonateur de Helmholz, l’élément de conversion 10 peut n’être constitué que du support 1 en matériau métallique, qui est muni des cavités et des cols qui forment les résonateurs. Eventuellement ses faces Si et S2 peuvent être recouvertes d’un matériau isolant, pour protéger les cavités, notamment de la corrosion du matériau métallique. Un tel mode de réalisation nécessite que le support 1 soit plus épais. Alors les évidements 5 peuvent être conçus pour amincir localement le support 1, entre les zones de pixels adjacentes, dans le même but de réduction du couplage thermique inter-pixel.For the embodiment of FIG. 4c, in which the antennas 2 and 3 are all of the Helmholz resonator type, the conversion element 10 may consist only of the support 1 made of metallic material, which is provided with cavities and collars that form the resonators. Optionally, its faces Si and S2 may be covered with an insulating material to protect the cavities, in particular the corrosion of the metallic material. Such an embodiment requires that the support 1 be thicker. Then the recesses 5 may be designed to locally thin the support 1, between the adjacent pixel areas, for the same purpose of reducing the inter-pixel thermal coupling.
Par exemple, les zones de pixels ZP peuvent avoir un pas d’environ 1 mm selon les directions de lignes et de colonnes de la matrice de l’élément de conversion 10. A l’intérieur de chaque zone de pixel ZP, chaque antenne Térahertz 2 peut avoir une dimension transversale qui est inférieure à 0,3 mm, parallèlement à la face Si du support 1, et chaque antenne infrarouge 2 peut avoir une dimension transversale qui est inférieure à 5 pm, encore parallèlement à la face Si du support 1, ces dimensions transversales d’antennes dépendant des longueurs d’onde centrales qui sont voulues pour les pics d’absorption Pi et P2, comme expliqué plus haut. Dans ces conditions, chaque zone de pixel ZP peut ne contenir qu’une seule antenne Térahertz 2 et une multitude d’antennes infrarouges 3, ces dernières pouvant être réparties à l’intérieur de la zone de pixel ZP selon un réseau carré, par exemple. Les figures 1, 2a et 2b illustrent une telle géométrie pour l’élément de conversion 10.For example, the pixel areas ZP may have a pitch of about 1 mm depending on the row and column directions of the matrix of the conversion element 10. Inside each pixel zone ZP, each terahertz antenna 2 may have a transverse dimension which is less than 0.3 mm, parallel to the Si face of the support 1, and each infrared antenna 2 may have a transverse dimension which is less than 5 μm, still parallel to the Si face of the support 1 , these transverse antenna dimensions dependent on the central wavelengths that are desired for the absorption peaks Pi and P2, as explained above. Under these conditions, each pixel area ZP may contain only one terahertz antenna 2 and a multitude of infrared antennas 3, the latter being distributed within the pixel area ZP in a square array, for example . FIGS. 1, 2a and 2b illustrate such a geometry for the conversion element 10.
Etant donné de telles dimensions pour les zones de pixels ZP et pour les antennes 2 et 3, il est aussi possible de disposer plusieurs antennes Térahertz 2 à l’intérieur de chaque zone de pixel ZP, toutes les zones de pixels ZP ayant des configurations identiques. Ainsi, à l’intérieur de chaque zone de pixel ZP, des antennes Térahertz 2 qui ont des géométries différentes peuvent correspondre à des positions en longueur d’onde du pic d’absorption P! qui sont distinctes. La distribution des antennes infrarouges 3 dans chaque zone de pixel ZP permet encore d’émettre du rayonnement infrarouge en réponse à l’absorption de rayonnement Térahertz par l’une quelconque des antennes Térahertz. De cette façon, l’élément de conversion 10 peut présenter un intervalle spectral de sensiblité qui est agrandi, par rapport à l’utilisation d’une seule géométrie d’antennes Térahertz.Given such dimensions for the pixel areas ZP and for the antennas 2 and 3, it is also possible to have several terahertz antennas 2 inside each pixel zone ZP, all the pixel zones ZP having identical configurations. . Thus, within each pixel zone ZP, terahertz antennas 2 which have different geometries can correspond to wavelength positions of the absorption peak P! which are distinct. The distribution of the infrared antennas 3 in each pixel zone ZP still makes it possible to emit infrared radiation in response to the absorption of terahertz radiation by any of the terahertz antennas. In this way, the conversion element 10 may have a sensibility spectral range which is enlarged compared to the use of a single terahertz antenna geometry.
Par ailleurs, il est aussi possible d’affecter des géométries différentes d’antennes Térahertz, produisant des positions spectrales différentes pour le pic d’absorption Pi, à des zones de pixels ZP qui sont voisines, notamment en utilisant un motif d’alternance déterminé pour les géométries d’antennes Térahertz entre les zones de pixels ZP, à la façon d’un filtre de Bayer. L’élément de conversion 10 permettra ainsi de relayer des images Térahertz multispectrales, lorsqu’il sera mis en oeuvre pour une fonction d’imagerie comme expliqué plus loin.Furthermore, it is also possible to assign different geometries of terahertz antennas, producing different spectral positions for the absorption peak Pi, to zones of pixels ZP which are close to each other, in particular by using a determined pattern of alternation. for terahertz antenna geometries between ZP pixel areas, in the manner of a Bayer filter. The conversion element 10 will thus relay multispectral terahertz images, when it will be used for an imaging function as explained below.
Alternativement ou en combinaison, des antennes Térahertz 2 qui ont des géométries différentes peuvent être sensibles à des polarisations distinctes du rayonnement Térahertz. En effet, de façon connue, la forme de chaque antenne 2 parallèlement à la face Si du support 1, détermine une polarisation du rayonnement pour laquelle cette antenne présente une efficacité, ou sensibilité, supérieure. Les données d’image qui sont ainsi recueillies comportent une information de polarisation qui peut être utile pour certaines applications, notamment des applications de surveillance d’environnement et de reconnaissance d’éléments intrus.Alternatively or in combination, terahertz antennas 2 which have different geometries may be sensitive to polarizations distinct from terahertz radiation. Indeed, in known manner, the shape of each antenna 2 parallel to the Si face of the support 1, determines a polarization of the radiation for which the antenna has an efficiency, or sensitivity, higher. The image data thus collected includes polarization information that may be useful for certain applications, including environment monitoring and intruder recognition applications.
Un élément de conversion 10 qui est conforme à l’invention peut avoir une configuration en transmission, ou une configuration en réflexion.A conversion element 10 that is in accordance with the invention may have a transmission configuration, or a reflection configuration.
Les figures 1, 2a et 2b correspondent à la configuration en transmission. Dans ce cas, les antennes Térahertz 2 et les antennes infrarouges 3 sont situées sur les deux faces opposées du support 1 : les antennes 2 sur la face Si et les antennes 3 sur la face S2, opposée à la face Si, conformément à la figure 1. Le couplage thermique entre les antennes 2 et 3 est alors produit par des chemins de diffusion thermique qui traversent le support 1 entre les faces Si et S2. Une telle configuration en transmission permet en général des mises en oeuvre de l’élément de conversion 10 qui sont plus simples.Figures 1, 2a and 2b correspond to the transmission configuration. In this case, the terahertz antennas 2 and the infrared antennas 3 are located on the two opposite faces of the support 1: the antennas 2 on the face Si and the antennas 3 on the face S2, opposite to the face Si, according to FIG. 1. The thermal coupling between the antennas 2 and 3 is then produced by thermal diffusion paths which pass through the support 1 between the faces Si and S2. Such a transmission configuration generally allows implementations of the conversion element 10 which are simpler.
La figure 5 illustre la configuration en réflexion. Dans ce cas, toutes les antennes 2 et 3 sont situées sur la face Si du support 1. Selon un mode de réalisation possible pour une telle configuration en réflexion, les antennes 2 et 3 peuvent être réalisées au sein d’une structure multicouche ST qui est formée uniquement sur la face Si du support 1. Par exemple, les antennes 2 peuvent être formées au sein d’une partie inférieure de la structure ST, plus proche du support 1, et les antennes 3 peuvent être formées au sein d’une partie supérieure de la structure ST, plus éloignée du support 1. Une telle configuration est favorisée si les antennes infrarouges 3 sont suffisamment transparentes pour le rayonnement Térahertz, qui est destiné aux antennes 2 sous-jacentes au sein de la structure ST. Un avantage d’une telle configuration en réflexion résulte de la proximité accrue entre les antennes 2 et 3 qui sont associées, produisant un couplage thermique entre elles qui est augmenté.Figure 5 illustrates the configuration in reflection. In this case, all the antennas 2 and 3 are located on the face Si of the support 1. According to one possible embodiment for such a configuration in reflection, the antennas 2 and 3 can be made within a multilayer structure ST which is formed only on the Si face of the support 1. For example, the antennas 2 can be formed within a lower part of the ST structure, closer to the support 1, and the antennas 3 can be formed within a upper part of the ST structure, further away from the support 1. Such a configuration is favored if the infrared antennas 3 are sufficiently transparent for the terahertz radiation, which is intended for the underlying antennas 2 within the structure ST. An advantage of such a reflection configuration results from the increased proximity between the antennas 2 and 3 which are associated, producing a thermal coupling between them which is increased.
Des premières applications pour un élément de conversion 10 qui est conforme à l’invention, peuvent consister à collecter de l’énergie radiative qui appartient au domaine Térahertz, par exemple en provenance d’une source thermique ou du soleil. Pour cela, la face du support 1 qui porte les antennes Térahertz 2 est exposée au rayonnement Térahertz, et un capteur qui est efficace pour absorber du rayonnement infrarouge, par exemple une cellule photovoltaïque, photoconductrice, ou bolométrique, est placé en vis-à-vis de la face du support 1 qui porte les antennes infrarouges 3. Dans les figures 1 et 5, les références TH et IR désignent respectivement le rayonnement Térahertz dont l’énergie est collectée, et le rayonnement infrarouge qui est transmis au capteur, lui-même désigné par la référence 20. Eventuellement, un concentrateur du rayonnement TH, désigné symboliquement par la référence 30, peut être utilisé pour augmenter la quantité collectée du rayonnement TH. Le concentrateur 30 peut être notamment un miroir, par exemple un miroir parabolique. De même, un concentrateur du rayonnement infrarouge IR, désigné par la référence 21, peut être utilisé entre l’élément de conversion 10 et le capteur infrarouge 20.First applications for a conversion element 10 which is in accordance with the invention may be to collect radiative energy which belongs to the terahertz domain, for example from a heat source or from the sun. For this, the face of the support 1 which carries the terahertz antennas 2 is exposed to the terahertz radiation, and a sensor which is effective for absorbing infrared radiation, for example a photovoltaic, photoconductive or bolometric cell, is placed facing the terahertz radiation. screw in the face of the support 1 which carries the infrared antennas 3. In FIGS. 1 and 5, the references TH and IR respectively denote the terahertz radiation whose energy is collected, and the infrared radiation which is transmitted to the sensor, itself 20 may be used to increase the collected amount of TH radiation. The concentrator 30 may in particular be a mirror, for example a parabolic mirror. Similarly, an IR infrared concentrator, designated 21, may be used between the conversion element 10 and the infrared sensor 20.
Des secondes applications pour un élément de conversion 10 qui est conforme à l’invention, concernent l’acquisition d’images formées avec du rayonnement Térahertz. Pour cela, un objectif qui est efficace pour le rayonnement Térahertz TH est disposé entre une scène à observer et la face du support 1 qui porte les antennes Térahertz 2. La référence 30 désigne maintenant un tel objectif, de façon symbolique pour de telles applications d’imagerie. Un tel objectif peut être à base de miroirs, ou de composants réfringents qui sont efficaces pour le rayonnement Térahertz TH, par exemple en polytétrafluoroéthylène (PTFE connu sous l’appellation commerciale de Teflon™), ou en polyimide, PMMA, PET, etc. La référence 20 désigne alors un détecteur d’image infrarouge, qui est sensible au rayonnement infrarouge IR tel que produit par l’élément de conversion 10. Ce peut être par exemple un détecteur du type matriciel. Dans ces conditions, la référence 21 désigne un système imageur, qui est efficace pour le rayonnement infrarouge IR, et qui conjugue optiquement la face du support 1 qui porte les antennes infrarouges 3 avec la surface photosensible du détecteur d’image 20. La résolution d’image qui est alors obtenue dépend principalement de la taille des zones de pixels ZP de l’élément de conversion 10, ainsi que de la résolution du détecteur d’image 20. En outre, lorsque l’élément de conversion 10 comporte plusieurs antennes Térahertz 2 par zone de pixel ZP, et que celles-ci sont sensibles à des longueurs d’onde différentes du domaine Térahertz, alors l’élément de conversion 10 permet de saisir une image multispectrale à chaque cycle d’acquisition du détecteur d’image 20.Second applications for a conversion element 10 which is in accordance with the invention concern the acquisition of images formed with terahertz radiation. For this purpose, an objective which is effective for terahertz radiation TH is arranged between a scene to be observed and the face of the support 1 which carries the terahertz antennas 2. The reference 30 now designates such an objective, symbolically for such applications. imaging. Such an objective may be based on mirrors, or refracting components that are effective for terahertz TH radiation, for example polytetrafluoroethylene (PTFE known under the trade name of Teflon ™), or polyimide, PMMA, PET, etc. The reference 20 then denotes an infrared image detector, which is sensitive to IR infrared radiation as produced by the conversion element 10. This may be for example a detector of the matrix type. Under these conditions, the reference 21 designates an imaging system, which is effective for infrared IR radiation, and which optically conjugates the face of the support 1 which carries the infrared antennas 3 with the photosensitive surface of the image detector 20. The image which is then obtained depends mainly on the size of the pixel areas ZP of the conversion element 10, as well as on the resolution of the image detector 20. In addition, when the conversion element 10 comprises several terahertz antennas 2 by pixel area ZP, and that these are sensitive to wavelengths different from the terahertz domain, then the conversion element 10 makes it possible to capture a multispectral image at each acquisition cycle of the image detector 20 .
Il est entendu que l’invention peut être reproduite en adaptant ou modifiant certains aspects secondaires de celle-ci par rapport aux modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus. En particulier, l’utilisation des évidements dans le support bidimensionnel entre zones de pixels adjacentes n’est pas indispensable, bien que préférée.It is to be understood that the invention may be reproduced by adapting or modifying certain minor aspects thereof with respect to the embodiments which have been described in detail above. In particular, the use of the recesses in the two-dimensional support between adjacent pixel areas is not essential, although preferred.
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